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【摘要】目前，是建筑安全设计评估中的一个关键技术环节就是对人群疏散进行分析，而人员疏散模型则是建筑安全设计评估中最常用的技术手段，也是人群疏散研究的重要组成部分。本文以南京地铁为例，通过对目前三种比较常用的人群运动仿真模型进行比较，并对社会力模型进行了改进，从而为地铁出站口布局提供参考。
Abstract: Nowadays, one crucial technology element in evaluation of construction safety design is analyses on population evacuation, among them, population evacuation model are often being used .Take the Nanjing subway for example , through comparation of three commonly used population movement simulation model and modified social force model, The paper will provide some reference to the exit layout design study .
【关键词】人群疏散；仿真模型；出站口布局
Key Words: population evacuate, simulation model, exit layout
中图分类号：S782.15 文献标识码：A文章编号：
随着我国经济实力的不断飞跃，社会的不断发展，地铁建设如雨后春笋，这就使得越来越多的人关注地铁出站口布局对人群疏散的问题，而这些问题主要围绕着安全问题。特别是在火灾等紧急情况下，是否能够安全疏散人群是衡量地铁出站口布局好坏的重要手段。由于地铁列车运行于地下空间，一旦发生紧急事故，人员能否及时从车站疏散是十分重要的，也是地铁车站设计安全评估的一项重要内容。
1. 地铁车站出站口布置原则
通常地铁车站出站口的布置是依据设计人员的经验，结合各个车站所在位置的地面建筑以及街道的具体情况进行布置的。一般会把出站口位置选择在吸引客流量大并且与地面交通换乘比较方便的地方，也经常直接利用附近大型商场，地下人行通道等设施，从而节省工程造价。但实际上，对出站口的布置不但要考虑其交通疏散功能、经济引导功能，而且特别是要考虑在紧急状态下，对人员安全疏散和救援实施的影响。
因此，我们必须谨慎分析各个可能位置的优势与劣势，要精心设计，并一定要强化在紧急事故下，发挥其排烟散热、救援与疏散等一系列的特殊功能。在设置时我们要严格遵循以下原则：
（1）周围不宜有密集的建筑，并且要尽可能在出站口处留出一片空地，以便紧急情况下的救援与疏散；
（2）要完全符合相关规范要求以及当地城市规划部门的规划要求；
（3）不要设置在城市人流的主要集散处，例如大剧院或者展厅，以避免发生交通堵塞；
（4）地铁出站口不应设在易燃、易爆、有污染源并且挥发有害物质的建筑物附件；
（5）要把地铁出站口的朝向应为迎着该位置的常年风向。
2. 三种模型的对比
众所周知，对人员疏散分析是衡量建筑是否属于安全设计的一个重要技术环节，而人员疏散模型的建立是建筑安全设计评估中常用的技术手段，同时也是人员疏散研究的重要组成部分。目前，国际上通常所用的人员疏散模型，这里主要指行人流模型，主要有磁力模型、排隊论模型、气体格子模型、元胞自动机模型、社会能力模型。本文主要以磁力模型、气体格子模型、社会力模型三种模型进行比较论述。
2.1磁力模型
磁力模型的概念是由Shigeyuki Okazaki和Satoshi Matsushita提出的。而在磁力模型中，行人被认为是位于磁场中的磁体，行人和障碍物则被认为是正磁极，而出口或者目的地则是负磁极，因此我们根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引的原理，行人会受到负磁极的吸引力而走向出口或者目的地。因此，在其运动的过程中，行人与行人之间以及行人和障碍物之间都会由于同性磁极而产生互相排斥。当我们要应用磁力模型时，就需要在仿真之间有一些参数需要进行初始化，例如位置、目的地、最大速度、方向以及开始的时间等等。根据库仑定律，速度会随加速度无限增大，因此在行人运动中，需要限定最大速度。
2.2排队论模型
我们把行人的运动认为是基于概率函数，而行人则是按照一定的概率到达服务点的，从而获取服务和离开队列，这就是排队论模型。在以研究疏散为目的的微观行人运动仿真过程中，前后有好几位学者都提出了与行人流相关的排队网络模型，并将其应用到建筑物的疏散仿真研究中。
2.3社会力模型
社会力模型的概念是由Helbing和Molnar提出的，该模型基于牛顿力学，并且假设行人受到社会力的作用，从而驱动行人运动。并在该模型里，依据行人不同的动机和其在环境中所受到的影响，共受到了三种作用力的影响：第一，驱动力；第二，人与人之间的作用力；第三，人与障碍物之间的作用力。
通过对以上三种模型进行论述，其优缺点在于：磁力模型曾常常被有效地应用到火灾疏散、地铁站的候车大厅中的行人运动以及旅馆的中央大厅中的行人运动等场景中，磁力模型的缺点在于每个行人的力负荷参数的确定是由实验得出的，并且没有理论计算公式，在实际中不能得到很好的验证，而且该模型也不能体现人群运动的宏观特性；排队网络模型具有比较好的视觉化效果，并且可以模拟排队系统中的瓶颈效应，但是对于行人的行为，尤其在拥挤环境下不太真实；社会力模型能够非常真实地描述现实中的很多现象，它是目前所有的仿真模型中最能体现人群真实运动情况的模型，这是因为社会力模型中的变量所代表的物理意义是可以计算的，但其缺点在于计算量太大，要实现大规模仿真，对于当今的计算机运动速度来说是一个挑战。
3.对社会力模型的改进
3.1改进社会力模型的必要性
本文主要以南京地铁为例进行说明，根据一份报告显示，从2005年南京地铁开始运营以来客流量是逐年上升。2005年9月到2005年12月1800万人次，每日15万人次；2006年全年5780万人次，每日15.8万人次；2007年全年8016万人次，每日21.9万人次；2008年全年1.0379亿人次，每日28.4万人次；2009年全年1.1346亿人次，每日31万人次；2010年全年2.14亿人次，每日58.46万人次。针对这种人流量大的情况，本文在经典社会力模型的基础上，对该算法进行优化，使得其运算速度大为提高，能应用于大型公共场合，如地铁的安全设计评估等。
3.1对社会力模型算法的优化
（1）对障碍物作用力的静态网格处理
针对环境中的边界或者障碍物是固定不动的，因而可以把其对人的作用力进行预先计算，这样就可以减少计算量。还可以将二维平面划分成一些小的网格细胞，而每个网格细胞都有一个矢量，该矢量的值为在那个位置的行人所受到的所有边界和障碍物静态作用力的合力。此外，每个网格细胞还有一个布尔变量，它是用来标志在仿真开始之前，表示该力是否被计算过。也可以在仿真之前，预先计算所有的静态作用力或者预先计算该合力。
（2）局部性原理的行人之间作用力计算
根据行人模型可知，最小行人模型的直径为40 cm，通过计算可知在2 m范围内其最大人数为90人。基于此可将行人进行分组，可以将距离第i个人最近的90人分为一个小组，每次计算时，仅仅只计算这90人对第i个人的作用力，这样就减少了计算量，从而提高了计算效率。而当行人的运动方向不一致时，这种分组方法就不再有效，在这种情况下就可以借用元胞自动机模型的思想，将场景划分为若干个细小的网格，行人只能位于网格之中，这样来计算人与人之间的作用力时，仅计算第i个人所占据的网格与周围49个网格里的人对第i个人的作用力，使用这种方法也可以使运算量得到明显下降，但真实度有一定的误差，因为此时行人只能按网格移动。
4.总结
综上所述，本文主要以社会力模型进行论述，并对其进行了一些改进。由于出站口的布局对人群疏散性能的影响并不是简单的线性关系，而是一项复杂系统，因此还存在很多问题需要我们进一步研究。
【参考文献】
[1]胡清梅,方卫宁,李广燕,丁霖.地铁车站出口布局对人群疏散性能的影响[J]. 铁道学报,2001．
[2]宋卫国,于彦飞,陈涛.出口条件对人员疏散的影响及其分析[J].火灾科学，2003．
[3]张磊.地铁车站出入口优化布置浅析[J].现代城市轨道交通,2006．
[4]李三兵,陈峰,李程垒.对地铁站台集散区客流密度与行进速度的关系探讨[J]．城市轨道交通研究,2009．
[5]陆君安,方正,卢兆明.建筑物人员疏散逃生速度的数学模型[J].武汉大学学报,2002.
Abstract: Nowadays, one crucial technology element in evaluation of construction safety design is analyses on population evacuation, among them, population evacuation model are often being used .Take the Nanjing subway for example , through comparation of three commonly used population movement simulation model and modified social force model, The paper will provide some reference to the exit layout design study .
【关键词】人群疏散；仿真模型；出站口布局
Key Words: population evacuate, simulation model, exit layout
中图分类号：S782.15 文献标识码：A文章编号：
随着我国经济实力的不断飞跃，社会的不断发展，地铁建设如雨后春笋，这就使得越来越多的人关注地铁出站口布局对人群疏散的问题，而这些问题主要围绕着安全问题。特别是在火灾等紧急情况下，是否能够安全疏散人群是衡量地铁出站口布局好坏的重要手段。由于地铁列车运行于地下空间，一旦发生紧急事故，人员能否及时从车站疏散是十分重要的，也是地铁车站设计安全评估的一项重要内容。
1. 地铁车站出站口布置原则
通常地铁车站出站口的布置是依据设计人员的经验，结合各个车站所在位置的地面建筑以及街道的具体情况进行布置的。一般会把出站口位置选择在吸引客流量大并且与地面交通换乘比较方便的地方，也经常直接利用附近大型商场，地下人行通道等设施，从而节省工程造价。但实际上，对出站口的布置不但要考虑其交通疏散功能、经济引导功能，而且特别是要考虑在紧急状态下，对人员安全疏散和救援实施的影响。
因此，我们必须谨慎分析各个可能位置的优势与劣势，要精心设计，并一定要强化在紧急事故下，发挥其排烟散热、救援与疏散等一系列的特殊功能。在设置时我们要严格遵循以下原则：
（1）周围不宜有密集的建筑，并且要尽可能在出站口处留出一片空地，以便紧急情况下的救援与疏散；
（2）要完全符合相关规范要求以及当地城市规划部门的规划要求；
（3）不要设置在城市人流的主要集散处，例如大剧院或者展厅，以避免发生交通堵塞；
（4）地铁出站口不应设在易燃、易爆、有污染源并且挥发有害物质的建筑物附件；
（5）要把地铁出站口的朝向应为迎着该位置的常年风向。
2. 三种模型的对比
众所周知，对人员疏散分析是衡量建筑是否属于安全设计的一个重要技术环节，而人员疏散模型的建立是建筑安全设计评估中常用的技术手段，同时也是人员疏散研究的重要组成部分。目前，国际上通常所用的人员疏散模型，这里主要指行人流模型，主要有磁力模型、排隊论模型、气体格子模型、元胞自动机模型、社会能力模型。本文主要以磁力模型、气体格子模型、社会力模型三种模型进行比较论述。
2.1磁力模型
磁力模型的概念是由Shigeyuki Okazaki和Satoshi Matsushita提出的。而在磁力模型中，行人被认为是位于磁场中的磁体，行人和障碍物则被认为是正磁极，而出口或者目的地则是负磁极，因此我们根据同性磁极相排斥，异性磁极相吸引的原理，行人会受到负磁极的吸引力而走向出口或者目的地。因此，在其运动的过程中，行人与行人之间以及行人和障碍物之间都会由于同性磁极而产生互相排斥。当我们要应用磁力模型时，就需要在仿真之间有一些参数需要进行初始化，例如位置、目的地、最大速度、方向以及开始的时间等等。根据库仑定律，速度会随加速度无限增大，因此在行人运动中，需要限定最大速度。
2.2排队论模型
我们把行人的运动认为是基于概率函数，而行人则是按照一定的概率到达服务点的，从而获取服务和离开队列，这就是排队论模型。在以研究疏散为目的的微观行人运动仿真过程中，前后有好几位学者都提出了与行人流相关的排队网络模型，并将其应用到建筑物的疏散仿真研究中。
2.3社会力模型
社会力模型的概念是由Helbing和Molnar提出的，该模型基于牛顿力学，并且假设行人受到社会力的作用，从而驱动行人运动。并在该模型里，依据行人不同的动机和其在环境中所受到的影响，共受到了三种作用力的影响：第一，驱动力；第二，人与人之间的作用力；第三，人与障碍物之间的作用力。
通过对以上三种模型进行论述，其优缺点在于：磁力模型曾常常被有效地应用到火灾疏散、地铁站的候车大厅中的行人运动以及旅馆的中央大厅中的行人运动等场景中，磁力模型的缺点在于每个行人的力负荷参数的确定是由实验得出的，并且没有理论计算公式，在实际中不能得到很好的验证，而且该模型也不能体现人群运动的宏观特性；排队网络模型具有比较好的视觉化效果，并且可以模拟排队系统中的瓶颈效应，但是对于行人的行为，尤其在拥挤环境下不太真实；社会力模型能够非常真实地描述现实中的很多现象，它是目前所有的仿真模型中最能体现人群真实运动情况的模型，这是因为社会力模型中的变量所代表的物理意义是可以计算的，但其缺点在于计算量太大，要实现大规模仿真，对于当今的计算机运动速度来说是一个挑战。
3.对社会力模型的改进
3.1改进社会力模型的必要性
本文主要以南京地铁为例进行说明，根据一份报告显示，从2005年南京地铁开始运营以来客流量是逐年上升。2005年9月到2005年12月1800万人次，每日15万人次；2006年全年5780万人次，每日15.8万人次；2007年全年8016万人次，每日21.9万人次；2008年全年1.0379亿人次，每日28.4万人次；2009年全年1.1346亿人次，每日31万人次；2010年全年2.14亿人次，每日58.46万人次。针对这种人流量大的情况，本文在经典社会力模型的基础上，对该算法进行优化，使得其运算速度大为提高，能应用于大型公共场合，如地铁的安全设计评估等。
3.1对社会力模型算法的优化
（1）对障碍物作用力的静态网格处理
针对环境中的边界或者障碍物是固定不动的，因而可以把其对人的作用力进行预先计算，这样就可以减少计算量。还可以将二维平面划分成一些小的网格细胞，而每个网格细胞都有一个矢量，该矢量的值为在那个位置的行人所受到的所有边界和障碍物静态作用力的合力。此外，每个网格细胞还有一个布尔变量，它是用来标志在仿真开始之前，表示该力是否被计算过。也可以在仿真之前，预先计算所有的静态作用力或者预先计算该合力。
（2）局部性原理的行人之间作用力计算
根据行人模型可知，最小行人模型的直径为40 cm，通过计算可知在2 m范围内其最大人数为90人。基于此可将行人进行分组，可以将距离第i个人最近的90人分为一个小组，每次计算时，仅仅只计算这90人对第i个人的作用力，这样就减少了计算量，从而提高了计算效率。而当行人的运动方向不一致时，这种分组方法就不再有效，在这种情况下就可以借用元胞自动机模型的思想，将场景划分为若干个细小的网格，行人只能位于网格之中，这样来计算人与人之间的作用力时，仅计算第i个人所占据的网格与周围49个网格里的人对第i个人的作用力，使用这种方法也可以使运算量得到明显下降，但真实度有一定的误差，因为此时行人只能按网格移动。
4.总结
综上所述，本文主要以社会力模型进行论述，并对其进行了一些改进。由于出站口的布局对人群疏散性能的影响并不是简单的线性关系，而是一项复杂系统，因此还存在很多问题需要我们进一步研究。
【参考文献】
[1]胡清梅,方卫宁,李广燕,丁霖.地铁车站出口布局对人群疏散性能的影响[J]. 铁道学报,2001．
[2]宋卫国,于彦飞,陈涛.出口条件对人员疏散的影响及其分析[J].火灾科学，2003．
[3]张磊.地铁车站出入口优化布置浅析[J].现代城市轨道交通,2006．
[4]李三兵,陈峰,李程垒.对地铁站台集散区客流密度与行进速度的关系探讨[J]．城市轨道交通研究,2009．
[5]陆君安,方正,卢兆明.建筑物人员疏散逃生速度的数学模型[J].武汉大学学报,2002.